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Suche nach neuen Teilchen bei HERA, LEP und am Tevatron Beate Heinemann, University of Liverpool Research Fellow of the Royal Society DPG Tagung, Berlin,

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1 Suche nach neuen Teilchen bei HERA, LEP und am Tevatron Beate Heinemann, University of Liverpool Research Fellow of the Royal Society DPG Tagung, Berlin, März 2005

2 2 Gibt es Neue Teilchen? Im Standardmodell wird elektroschwache Symmetriebrechung erklärt durch Higgs-Mechanismus: generiert Massen der elektroschwachen Bosonen (W, Z) und Fermionen Higgs-Boson bisher nicht gefunden Warum ist das Standardmodell nicht die Antwort? Kalte Dunkle Materie hat keine Erklärung. Keine Vereinheitlichung der elektroschwachen und starken Kraft (und der Schwerkraft) Warum spielen Bosonen und Fermionen so unterschiedliche Rollen? Materie-Antimaterie-Asymmetrie unerklärt Etc. Grösstes Problem im TeV-Bereich: Hierarchie-Problem: m h <

3 3 LEP, HERA und Tevatron Beschleuniger: sArtLdt LEP0.2 TeVe+e-e+e- 500 pb -1 HERA0.3 TeVe±pe±p170 pb -1 Tevatron2 TeVpp500 pb -1 p e±e± p p e+e+ e-e- HERA LEP Tevatron _ _

4 4 Inhalt Higgs Boson: Standard Modell Jenseits des Standardmodells SUSY: Charginos und Neutralinos Squarks und Gluinos Weitere Suchen: HERAs isolierte Leptonen (W-Produktion) Neue Eichbosonen: Z, W Extra Dimensionen Magnetische Monopole

5 5 Das Higgs Boson Eigenschaften: Skalares Feld koppelt an Masse Elementares Teilchen? Bisher nicht gefunden: LEP: m H >114.4 GeV/c C.L Präzisionsmessungen: m H = GeV/c 2 Supersymmetry: m h <135 GeV/c 2 Weitere Higgs Bosonen werden vorhergesagt in Theorien jenseits des SM 95%C.L. LEP EWK Working group: Frühling 2005

6 6 Tevatron SM Higgs Suche Beste Chancen: M H bb (und H-> ) M H >135 GeV: gg->H->W + W - Produktion: Zerfall m H (GeV/c 2 ) Excluded H bb H H W W

7 7 WH->e bb und WH-> bb Selektion: W+b-jets CDF: e oder, E t, 2 jets (>=1 b-jet) D0: e, E t und 2 b-jets Invariante Masse der jets Daten konsistent mit Untergrund: Daten schliessen Wirkungsquerschnitte >5 pb aus Standard Modell: ca pb Massenauflösung: Jetzt: 17% Ziel: 10% __ D0: Accepted in PRL - hep-ex/

8 8 Higgs-Massen Rekonstruction unmöglich aufgrund von 2 Neutrinos im Endzustand Nutze Spin-Korrelations um WW Untergrund zu unterdrücken: Higgs hat Spin=0 Leptonen in H WW ( * ) l + l - sind kollinear Hauptuntergrund: WW Produktion H WW ( * ) l + l GeV Higgs _

9 9 Status: Higgs am Tevatron Bisher keine Sensitivität: Zu wenig Luminosität Nur WH Kanal analysiert (ZH -> bb is genauso wichtig!) Experimentelle Techniken werden weiter optimiert Zukunft Jetzt (März 2005) LEP

10 10 MSSM Higgs Suche MSSM (Minimales Supersymmetrisches SM): 2 Higgs-Felder: Parameter tan = / 5 Higgs-Bosonen: h, A, H (neutral), H +. H - (geladen) Bei Tevatron und LHC: Produktion von A tan 2 A entartet mit h oder H BR(A->bb)90%, BR(A-> )10% (auch für hohe Massen!) Suche nach bA -> bbb und A+X-> +X

11 11 MSSM Higgs Suche Selektion: 3 b-jets mit E t >35, 20 und 15 GeV Untergrund: QCD bbqq und bbbb Bestimme aus Daten Invariante Masse des ersten und zweiten Jets: Suche nach Resonanz Daten konsistent mit Untergrund: Schliesst tan >50-60 aus für 90

12 12 MSSM Higgs: A-> A-> Zerfall: BR8% Selektion: 1 ->e : e oder 1 hadronischer -Zerfall: schmaler isolierter jet mit 1 oder 3 Spuren Ergebnis: Typische -Signatur erkennbar Hauptuntergrund Z-> Massenverteilung konsistent mit SM Wirkungsquerschnitt<10-2 pb Interpretation in MSSM in Arbeit Sensitivität tan =50

13 13 Supersymmetrie (SUSY) Verdoppelt Anzahl der Elementarteilchen: SM fermion => SUSY boson SM boson => SUSY fermion R p =(-1) 3B+L+2S R p =+1 fur SM Teilchen R p =-1 fur SUSY Teilchen Gebrochene Symmetry Vorteile: Löst Asymmetrie zwischen Bosonen und Fermionen Löst Hierarchie-Problem kalte dunkle Matrie: R p erhalten Neutrino-Massen 0: R p verletzt Konsistent mit elektroschwachen Präzisionsmessungen Vereinheitlichung der Kräfte auf GUT Skala Dunkle Energie Kalte dunkle Materie SM Teilchen

14 14 R p -Erhaltung: LSP = leichteste neutralino (nicht beobachtbar) Typische Suche : Steilchen LSP+SM Teilchen Sensitivität: LEP: m NLSP ~ s / GeV Tevatron: GeV (hängt von Teilchen ab) HERA: hauptsächlich R p verletzend Massen-Eigenzustände der SUSY Partner der Ws, Zs, Photonen heißen: Chargino ± 1, ± 2 Neutralino: Beispiele: chargino+neutralino GMSB squarks, gluinos Wie suchen wir nach SUSY? EtEt ~~ ~~~~

15 15 Ergebnisse der LEP SUSY Suchen Theoretisch ausgeschlossen LEP I Präzisionsmessungen Chargino-Suche Slepton Suche SM Higgs Suche Charginos und Sfermionen: Ausgeschlossen bis zur kinematischen Grenze: m>103 GeV/c 2 Modell-unabhängig! Higgs Suche schließt kleine tan aus: tan >2-4 (Modell-abhängig) LSP: mSUGRA: M( 1 0 )>50-60 GeV/c 2 cMSSM: M( 1 0 )>46-50 GeV/c 2 m 0 : Sfermion Masse m 1/2 : Gaugino Masse

16 16 Charginos und Neutralinos mSUGRA: SUSY gebrochen auf GUT Skala Neutralino LSP 3 Leptonen + GMSB: SUSY gebrochen bei ca TeV Gravitino G LSP 2 Photonen + EtEt EtEt EtEt ~ ~ ~ ~ ~

17 17 Tevatron: 3 Leptonen + Herausforderung: xBR niedrig Lepton p T niedrig DØ Selektion 2 l (l=e, ) + isolierte Spur oder ± ± E t +topologische cuts EtEt SelektionSM UntergrundDaten ee+l0.21±0.120 e l0.31±0.140 l1.75±0.572 ± 0.66±0.371 e +l0.58± l0.36±0.101 Update seit ICHEP

18 18 Ergebnis: 3-Leptonen Suche Ergebnis: xBR< pb mSUGRA: m( ± )>115.4 GeV tan =3, A 0 =0, >0 M( ± )M( 0 2 )2M( 0 1 ) optimistisches Modell Schwere Squarks: m( ± )>126.5 GeV D.h. keine Sfermion-Massen- Vereinheitlichung Reduziert destruktive Interferenz Große m 0 : keine Sensitivität Sleptonen schwer => leptonische BR klein Tevatron beginnt mSUGRA jenseits der LEP-Grenzen zu testen höhere tan in Arbeit: leicht ~~~ ~ NLO: M. Beenakker et al. (PRL , 1999

19 19 Run I CDF Ereignis Run I Ereignis: 2 e, 2 und E t =56 GeV SM Erwartung: Ereignisse Interpretationen in GMSB: Selektron Chargino/Neutralino Sichtbar in inklusivem diphoton E t Spektrum Suchen bei Tevatron Run II, LEP und HERA Phys.Rev.Lett.81: ,1998

20 20 GMSB: Selektron-Suche bei LEP Paar-Produktion von Selektronen Unabhängig von Squark und Chargino-Massen! Sensitiv auf e R Such nach: 2, E t LEP schließt Interpretation des CDF Run I Ereignisses aus ~

21 21 GMSB: Selektron-Suche bei HERA Produktion nur wenn R p nicht erhalten ( 1j1 >0): Sensitiv auf e L Unabhängig von Squark und Chargino Massen Selektion: Photon E t >15 GeV, E t >25 GeV Masse von Neutralino kann rekonstruiert werden Für 1j1 =1: M(e L )>164 GeV/c 2 M( )>112 GeV/c 2 ~ ~ ~

22 22 Tevatron GMSB Suche: +E t DØ (CDF) Suche: 2 Photonen: E t > 20 (13) GeV E t > 40 (45) GeV SM UntergrundDaten DØ3.7±0.62 CDF0.3±0.10 Erstes Run II Resultat kombiniert von DØ und CDF: m( ± )>209 GeV/c 2, m( 0 )>114 GeV/c 2 ~ ~

23 23 Weitere Chargino und Neutralino Suchen Chargino könnte quasi-stabil sein: Z.B. m( ± 1 )-m( 0 1 )<150 MeV Signatur wie aber langsam: v GeV/c 2 (modellabh.) RPV SUSY: 0 1 nicht stabil => Zerfall in Leptonen 4 Leptonen im Endzustand Daten konsistent mit Untergrund 112 =0.01: m( ± 1 ) > 180 GeV/c =0.01: m( ± 1 ) > 160 GeV/c =0.01 Daten Signal ~ ~ Neu seit ICHEP ~ ~ ~ ~

24 24 Signatur: 2 jets und P t jet > 250 GeV >175 GeV Ereignisse: Daten: 12, SM: 12.8±5.4 + Ähnliche Analysen => m(g) > 250 GeV/c 2 m(q) > 318 GeV/c 2 In mSUGRA: Indirektes LEP-limit aus ± Suche m(g)>320 GeV/c 2 Squarks und Gluinos EtEt EtEt ~ ~ ~ ~ ~ Update seit ICHEP

25 25 Das Ereignis mit höchstem E t E t =354 GeV Jets: E t =264 GeV, E t =106 GeV

26 26 Bottom Squarks Hohes tan Szenario: Sbottom kann leicht sein In dieser Analyse: BR(g->bb)~100% angenommen Spektakuläre Signatur: 4 b-quarks + E t 2 b-Jets and E t >80 GeV + keine isolierten Leptonen ~ Ereignisse: SM:2.6±0.7 Daten: 4 Schließe m(g)<280 GeV aus für m(b)<240 GeV ~ ~ ~

27 27 Weitere Suchen Ws bei HERA Isolierte Leptonen neue Eichbosonen (W,Z) Extra Dimensionen Magnetische Monopole

28 28 HERA I: Isolierte Leptonen e+ H1:I Daten/SM ZEUS:I Daten/SM P T X >019/14.4±1.636/32.5 ±3.3 P T X >25 GeV11/3.4 ±0.47/5.7 ±0.5 Run I Ergebnisse (e und ) Wie siehts in Run II aus? NB -Kanal auch analysiert aber Statistik noch gering HERA Run I (~120 pb -1 ): H1 sah Daten-Überschuß bei hohen jet P T (P T X ) ZEUS sieht gute Übereinstimmung mit SM Haupt-Prozeß im SM: W-Produktion (NLO: Diener, Schwanenberger, Spira, Eur. Phys. J C25: (2002))

29 29 HERA II: Isolierte Leptonen Neue Run II Daten (53 pb -1 ): H1 sieht weiterhin höhere Rate als SM Naïve Poisson Probability: H1: Run I+II: 0.01% (!!!) H1: Run I: 0.1% H1+ZEUS: 0.1% Bisher kein Modell, das Daten plausibel erklärt e+ H1: Run I Daten/SM H1: Run II Daten/SM ZEUS: Run I Daten/SM P T X >019 / 14.4±1.610 / 6.1 ±0.936/32.5±3.3 P T X >25 GeV11 / 3.4 ±0.45 / 1.7 ±0.37/5.7±0.5 Update seit ICHEP

30 30 Schmale Resonanz: Spin-1: Z Spin-2: Randall-Sundrum (RS) Graviton Spin-0: RPV Higgs Tevatron 2-Lepton und 2-Photon Produktion Härtere Verteilung: Grosse Extra Dimensionen: Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali (ADD) Kontakt-Wechselwirkungen Neue Teilchen bei höchsten Massen ? Produktion von 2 Leptonen oder 2 Photonen in SM ~

31 31 Massenspektren:, e + e -, CDF: CDF: e + e - DØ: Daten von Standardmodell beschrieben: >4 Größenordnungen!

32 32 Spin-1 und Spin-2: Z und G 95% C.L. Limits für SM- ähnlichen Z (in GeV/c 2 ): RS Graviton: M>785 GeV/c 2 für k/M Pl =0.1 ee ee CDF>750>735>815>395 D0>780> CDF: ee+ SM-like Z 815 GeV/c 2 Update seit ICHEP

33 33 Geladenes Spin-1 Boson: W Suche nach W->ev Electron +E t Transversale Masse (e,v) Daten stimmen mit SM uberein: 6 Größenordnungen! Können Daten benutzen um W auszuschließen: M(W)>842 GeV/c 2 Neu seit ICHEP

34 34 Magnetische Dirac- Monopole Magnetische Ladung: g = nhc/(2e) mit n=1: Dirac-Ladung g D hohe Ionisierungsenergie Energieverlust in Materie n (Ladung) CDF: pp->MM+X Hohe Energie TOF Detektor (Trigger) Spur konsistent mit Monopol H1: ep->eMMp oder ep->eMMX Monopole, die in Strahlrohr gestoppt haben Spins 0 und 1/2 n=1n=2n=6 CDF: 100

35 Zusammenfassung Breites Spektrum an neuen Resultaten: Higgs, SUSY, Z und W, Extra Dimensionen, magnetische Monopole + mehr: Stop Produktion: RPV und RPC bei Tevatron Neue und angeregte Fermionen: e*, b, t bei Tevatron Kontaktwechselwirkungen bei Tevatron Lepton-Flavour Verletzung bei HERA H ± und H ±± bei Tevatron …siehe webpages der Experimente

36 Ausblick Kein klarer Hinweis auf neue Teilchen Run II läuft gut: Tevatron verdoppelt Datensätze jedes Jahr HERA nimmt jetzt e - p Daten (schon L20 pb -1 ) Hoffnung auf Hinweise auf neue Teilchen vor dem LHC oder überhaupt DPG Tagung, Berlin, März 2005

37 37 Weitere Informationen in Parallelsitzungen T114, Mo 14.00: Neue Ergebnisse vom D0 Experiment (A. Quadt) T406, Mo 16.30: Wh->evbb: V. Meder-Marouelli et al. (D0) H->WW->lvlv: M. Hohlfeld et al. (D0) H->WW->mvjj: A. Grohsjean et al. (D0) T605, Di 16.45: Gaugino Suchen: C. Nahn Nguyen (ZEUS) Bosonic Stop: A. Vest (H1) GMSB selekrtonen: V. Horn (ZEUS) T708, Mi 14.00: RPV neutralinos: D. Kaefer et al. (D0) RPV smuon: C. Autermann (D0) GMSB Selektronen: C. Schwanenberger (H1) SUSY trileptonen (e ): U. Blumenschein (D0) SUSY trileptonen ( ): C. Noeding (D0) SUSY trileptnonen ( ): M. Binder (D0) Z Suche: C. Magass (D0) 2. Generation Leptoquarks: R. Stroehmer (D0)


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